KR930005684B1 - 카본 블랙 응집체의 크기 및 구조의 조절 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

카본 블랙 응집체의 크기 및 구조의 조절 방법

제1도는 카본 블랙 반응기에서 제1 및 제2의 냉각기(quench)를 나타낸 본 발명의 일 실시태양의 횡단면도임.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 반응기 12 : 반응 대역

14,60,62 : 지점 20 : 제한 직경 대역

30 : 원료 40 : 제1냉각기

42 : 제2냉각기 50 : 냉각액

본 발명은 카본 블랙 응집체의 크기 및 구조를 조절하는 방법에 관한 것이다.

카본 블랙은 일반적으로 로 형태의 반응기에서 탄화수소 원료를 고온의 연소 가스로 열분해시켜 입자성 카본 블랙을 함유하는 연소 생성물을 제조함으로써 얻어진다.

케스터(Kester)등의 미합중국 특허 제3,401,020호 또는 플록(Pollock)등의 미합중국 특허 제2,785,964호에 개시된 로 형태의 카본 블랙 반응기(이하,각각 "케스터" 및 "플록"으로 약칭함)에서는 연료, 바람직하기로는 탄화수소 연료 및 산화제, 바람직하기로는 공기를 제1대역으로 분사시켜 반응시킴으로써 고온의 연소 가스를 형성하였다. 가스상, 증기 또는 액체 형태중 어느 한가지 형태를 취하는 탄화수소 원료가 또한 제1대역에 분사되며, 이곳에서 탄화수소 원료의 열분해가 일어난다. 이 경우에, 열분해(pyrolysis)는 탄화수소의 열분해를 의미한다. 열분해가 일어나고 있는 생성된 연소 가스 혼합물은 이어서 카본 블랙 형성 반응이 완결되는 반응 대역으로 들어간다.

다른 형태의 카본 블랙 반응기에서는 액체 또는 가스상 연료를 제1대역에서 산화제, 바람직하기로는 공기와 반응시켜 고온의 연소 가스를 형성한다. 이 고온의 연소 가스는 제1대역으로부터 반응기를 거쳐 반응대역 및 그 이하의 하류 방향으로 흘러내려간다. 카본 블랙을 제조하기 위해 탄화수소 원료를 1개 이상의 지점에서 고온의 연소 가스 스트림(stream)의 통로중에 분사시킨다. 탄화수소 원료는 액체, 가스 또는 증기이며, 연소 가스 스트림을 형성하기 위해 사용된 연료와 서로 동일하거나 또는 상이해도 좋다. 제1(또는 연소)대역 및 반응 대역은 초우크(choke)나 또는 그 단면이 연소 대역이나 반응 대역보다 더 작은 제한된 직경을 갖는 대역에 의해 분리될 수 있다. 원료는 제한된 직경을 갖는 대역의 상류, 하류 및(또는)이 대역에서 고온의 연소 가스 스트림의 통로에 분사될 수 있다. 이런 유형의 로 카본 블랙 반응기들은 일반적으로 미합중국 재발행 특허 제28,974호 및 미합중국 특허 제3,922,335호에 기재되어 있다. 2가지 유형의 로 카본 블랙 반응기 및 공정을 설명하였지만, 본 발명은 탄화수소의 열분해 및(또는) 불완전 연소에 의해 카본 블랙이 생성되는 어떤 다른 로 카본 블랙 반응기나 공정에도 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

상기한 2가지 유형의 공정 및 반응기와, 기타 일반적으로 알려진 반응기 및 공정에서 고온의 연소 가스는 연소 가스 스트립 중에 분사된 탄화수소 원료를 열분해시키기에 충분한 온도를 갖는다. 케스터 특허에 개시된 것과 같은 한 반응기 형태에 있어서, 원료는 1개 이상의 지점에서 연소 가스가 형성되는 동일 대역에 분사된다. 다른 유형의 반응기 및 공정에 있어서 원료 분사는 연소 가스 스트림이 형성된 후 1개 이상의 지점에서 일어난다. 모든 유형의 반응기에 있어서, 고온의 연소 가스 스트림은 반응기를 거쳐 하류 방향으로 연속적으로 흐르기 때문에 원료와 연소 가스의 혼합물의 반응 대역을 통과할때 연속적인 열분해가 일어난다. 열분해가 일어나는 원료와 연소 가스의 혼합물을 이하 전 명세서에 결쳐서 "유출물(effluent)"라고 부른다. 유출물이 반응기의 반응 대역에서 잔류하는 시간은 적당한 조건하에서 카본 블랙을 형성하기에 충분하다. "잔류 시간(reaidence time)"은 고온의 연소 가스와 원료가 최초로 접촉한 이후 경과된 시간량을 의미한다. 소정의 특성을 갖는 카본 블랙이 형성된 후, 유출물의 온도는 더욱 낮아져 열분해가 정지된다. 이와 같이 열분해를 정지시키는 유출물의 온도 저하는 공지된 방법, 예를들면 냉각기(quench)를 통해 냉각액을 유출물에 분사함으로써 달성될 수 있다. 당업자들에게 일반적으로 알려진 바와 같이, 열분해는 소정의 카본 블랙 생성물이 반응기에 생성되었을때 정지된다. 열분해가 정지되어야 하는 시점을 결정하는 한 가지 방법을 유출물을 샘플링하여 그의 톨루엔 추출농도를 측정하는 방법이다. 톨루엔 추출 농도는 ASTM D1618-83 "카본 블랙 추출 가능물-톨루엔 변색화"에 준하여 측정한다. 냉각기는 일반적으로 유출물의 톨루엔 추출 농도가 소정의 카본 블랙 생성물이 반응에서 제조되는데 허용되는 수준에 도달하는 지점에 위치한다. 열분해가 정지된 후, 유출물을 일반적으로 백 필터(bag filter) 시스템을 통과시킴으로써 카본 블랙을 분리, 수집한다.

일반적으로 하나의 냉각기가 사용된다. 그러나, 케스터 특허에는 2개의 냉각기를 사용하여 카본 블랙의 특정 성질을 조절한 것으로 개시되어 있다. 케스터 특허는 열처리에 의해 카본 블랙의 모듈러스 부여 특성을 조절하는 방법에 관한 것이다. 이 열처리는 카본 블랙 로의 유출물 증기에서 직렬로 배치된 2개의 물 분사 냉각기로 물의 유속을 조절함으로써 달성된다. 카본 블랙의 모듈러스는 고무 제품에서의 카본 블랙의 성능과 관련이 있다. 쉐퍼(Schaefer)와 스미스(Smith)의 논문 "카본 블랙의 보강성에 미치는 열처리 효과"(Industrial and Engineering Chemistry,Vol.47,No.6 ; 1955년 6월 제1286페이지)(이하 "쉐퍼"로 약칭함)에서 설명된 바와 같이, 일반적으로 열처리는 카본 블랙의 모듈러스 부여 특성에 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 그러나, 쉐퍼의 논문에서 추가 설명된 바와 같이, 열처리에 의해 생긴 카본 블랙의 모듈러스 부여 특성의 변화는 카본 블랙의 표면 화학적 변화를 초래한다. 따라서, 연소 가스 스트림을 다른 온도 조건하에 두기 위해서 케스터가 제안한 바와 같이 냉각기를 배치하면, 카본 블랙의 모듈러스 부여 특성은 명백히, 어떤 인식할 수 없는 방식으로 카본 블랙의 모르폴로지(morphology)에 영향을 줌으로써 보다는 카본 블랙의 표면 화학을 변화시킴으로써 영향을 받는다. 더우기, 케스터 특허에서는 2개의 냉각기를 원료의 열분해가 이미 상당히 진행된 반응 대역의 한 위치에 배치하였다. 따라서, 케스터법에서는 유출물이 제1냉각기에 도달하는 시간을 가지고 카본 블랙의 CTAB, 색조, DBP 및 스트우크스 직경 등의 물성을 정의할 수 있을 것으로 보인다. 이는 케스터법에 있어서 모듈러스 부여 특성의 변화는 카본 블랙의 모르폴로지 특성의 변화에 기인하지 않는다는 결론을 뒷받침해 준다. 또한, 케스터는 원료의 분사 시점 또는 잔류 시간에 비해 제1냉각기의 위치에 어떤 중요성을 두지 않았으며, 제1냉각기의 위치를 선택하는 방법을 기재하지 않았다.

포르셋(Forseth)의 미합중국 특허 제4,230,670호(이하,"포르셋"이라 약칭함)에서는 2개의 냉각기를 사용하여 열분해를 정지시키는 방법을 제안하였다. 2개의 냉각기는 하나의 냉각기가 위치하게 될 지점에서 수인치 떨어져서 위치된다. 2개의 냉각기의 목적은 반응 대역을 냉각액으로 더욱 완전히 채움으로써 열분해를 보다 효과적으로 정지시키기 위한 것이다. 그런, 포르셋법에서는 유출물이 2개의 냉각기에 도달하는 시간을 가지고 키본 블랙의 CTAB, 색조, DBP 및 스토우크스 직경 특성을 한정하였다.

밀스(Mills) 등의 미합중국 특허 제4,265,870호 및 동제4,316,876호에서는 여과 장치의 손상을 방지하기 위해서 제1냉각기의 하류에 제2냉각기를 사용할 것을 제안하였다. 두 특허에 있어서, 제1냉각기는 열분해를 완전히 정지시키기 위해 당업계에 일반적으로 알려진 한 위치에 위치하며, 유출물이 제1냉각기에 도달하는 시간으로 카본 블랙의 CTAB, 색조, DBP 및 스토우크스 직경 특성을 한정하였다. 제2냉각기는 여과 장치를 보호하기 위해 연소 가스 스트림의 온도를 더욱 저하시킨다.

오스틴(Austin)의 미합중국 특허 제4,358,289호(이하,"오스틴"으로 약칭함) 역시 냉각기 이후에 열교환기를 사용함으로써 여과 장치의 손상을 방지하는 방법에 관한 것이다. 이 특허에서도 역시 냉각기는 열분해를 완전히 정지시키며, 당업계에 일반적으로 알려진 위치에 위치한다. 오스틴 특허에서는 유출물이 제1냉각기에 도달하는 시간으로 카본 블랙의 CTAB, 색조, DBP 및 스토우크스 직경 특성을 한정하였다.

루이스(Lewis)의 미합중국 특허 제3,615,211호(이하,"루이스"로 약칭함)는 반응기에서 제조된 카본 블랙의 균일성을 개선하는 방법 및 반응기의 수명을 연장하는 방법에 관한 것이다. 루이스는 균일성을 개선하고, 반응기 수명을 연장하기 위해서 반응 대역 전체에 걸쳐서 위치하는 다수의 냉각기를 사용하여 반응 대역의 온도를 실질적으로 일정하게 유지시킬 것을 제안하였다. 특정량의 냉각액을 반응기의 가장 상류에 위치하는 냉각기에서 분사하고, 보다 많은 양의 냉각액을 각각 계속해서 하류의 냉각기에서 분사한다. 가장 하류에 위치하는 냉각기가 열분해를 정지시킨다. 반응 대역에서 온도를 일정하게 유지시킴으로써 루이스의 장치는 이 장치로 제조한 카본 블랙의 균일성을 증진시켰다. 그러나, 다수의 냉각기는 이 장치로 제조한 가본 블랙의 모르폴로지는 조절하지 못하였다.

그러나, 카본 블랙의 모르폴로지는 카본 블랙이 특정한 최종 용도에 아주 적합하게 제조될 수 있도록 조절할 수 있는 것이 일반적으로 바람직하다. 또한, 주어진 표면적에 대해 카본 블랙의 응집체 크기 및 구조를 증가시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 증가된 응집체 크기 및 구조는 보다 높은 DBP, 보다 낮은 색조 및 보다 큰 스토우크수 직경으로 나타내지는 바와 같이 카본 블랙을 특정한 최종 용도에 더욱 적합하게 만들기 때문이다.

따라서, 본 발명의 목적은 카본 블랙의 응집체 크기 및 구조를 조절하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 주어진 표면적에서 보다 큰 응집체 크기 및 구조를 갖는 카본 블랙을 제조하는 것이다.

본 발명자들은 이러한 바람직한 목적들을 달성할 수 있는 방법을 발견하였다. 본 발명자들은, 로 카본 블랙 공정에서 제조된 카본 블랙의 모르폴로지는 열분해를 정지시키지 않고 유출물의 온도를, 바람직하기로는 가장 하류쪽의 원료 분사 지점에서 하류 방향으로 최대 약 0.002호의 특정 잔류 시간내에 최대 약 426.7℃(800℉)의 양으로 저하시킴으로써 조절할 수 있음을 발견하였다. 온도 저하는 제1냉각기를 원료 분사점 및 냉각액 분사점의 가장 하류 지점으로부터 약 4피트 하류 지점 또는 약 4피트 이내의 하류에 위치시킴으로써 달성할 수있다. 본 발명에 의하면, 카본 블랙의 생산을 보다 높은 DBP, 보다 낮은 색조 및 주어진 표면적에 대해 증가된 스토우크스 직경(CTAB)로 나타내지는 보다 큰 응집체 크기 및 증가된 구조 등의 특이한 모르폴로지 특성을 갖는 카본 블랙을 제조하도록 조절할 수 있다. 본 발명자들은 또한 카본 블랙의 이러한 형태학적 특성들은 유출물의 온도 저하량을 변화시키고 (또는)유출물의 온도가 저하될때까지 가장 하류쪽에서의 원료 분사 시간으로부터의 잔류 시간을 변화시킴으로써 조절할 수 있음을 발견하였다.

더욱 구체적으로, 본 발명은 로 카본 블랙 반응기에 제조되는 카본 블랙의 응집체 크기 및 구조를, 유출물(열분해가 일어나는 연소 가스와 원료의 혼합물)에서 일어나는 열분해를 정지시킴으로써가 아닌, 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 하류 방향으로 약 0.0초 내지 0.002초, 바람직하기로는 약 0.0초 내지 0.0015초 사이의 잔류 시간내에 유출물의 온도를 저하시킴으로써 조절하는 방법에 관한 것이다. 유출물의 온도는 상기 특정 잔류 시간내에, 바람직하기로는 최대 약 426.7℃, 더욱 바람직하기로는 약 10℃ 내지 426.7℃의 양으로 저하된다. 유출물의 온도는 냉각기, 바람직하기로는 반응기의 한 지점에 위치하는 냉각기로 냉각액을 유출물에 분사시킴으로써 유출물을 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 하류 방향으로 약 0.0 내지 0.002초, 바람직하기로는 약 0.0 내지 0.0015초 이내에 냉각시킴으로써 저하된다. 전형적으로, 특정 잔류 시간내에 유출물을 냉각시키기 위해서는 냉각기를 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 약 4피트 지점에 또는 그 이내에 위치시켜야 할 것이다. 냉각기는 유출물의 온도를, 열분해를 정지시킴 없이 바람직하기로는 최대 약 426.7℃로, 더욱 바람직하기로는 약 10℃ 내지 426.7℃의 양으로 저하시킨다. 본 발명에 의하면, 유출물의 온도 저하량 및 유출물의 온도 저하가 일어나는 잔류 온도를 독립적으로 또는 동시에 변화시킴으로써 반응기에서 제조되는 카본 블랙의 응집체 크기 및 구조를 조절할 수 있다. 특정 잔류 시간내에 유출물의 온도를 저하시키기 위한 냉각액을 분사하는 냉각기를 사용하는 반응에 있어서, 이 유출물의 온도 저하량 및 유출물의 온도 저하가 일어나는 잔류 시간의 변화는 냉각기로부터 분사되는 냉각액의 양 및 냉각기의 위치를 각각 변화시킴으로써 성취할 수 있다. 소정의 특성을 갖는 카본 블랙이 형성된 후, 열분해는 정지된다.

본 발명에 의하면, 유출물의 온도가 특정 잔류 시간내에 저하되지 않는 다른 유사 방법에 의해 제조된 카본 블랙보다 주어진 표면적에 대해 보다 큰 응집체 크기 및 구조를 갖는 카본 블랙 제품을 얻을 수 있다.

본 발명의 방법은 카본 블랙의 응집체 크기 및 구조를 제어할 수 있다는 잇점이 있다.

본 발명 방법의 다른 잇점은 보다 큰 DBP, 보다 낮은 색조로 나타내지는 보다 큰 응집체 크기 및 구조와, 주어진 표면적에 대해 CTAB로 나타내지는 증가된 스토우크스 직경을 갖는 카본 블랙을 제조할 수 있다는 점이다.

본 발명의 또 다른 잇점은 이하의 설명 및 특허 청구의 범위로부터 명백해질 것이다.

도면은 본 발명의 실시 가능한 일 실시 태양을 도시한 것이다. 카본 블랙 반응기의 한 유형의 일부를 도면에 도시하였지만, 상기한 바와 같이 본 발명은 탄화수소의 열분해 및(또는) 불완전 연소에 의해 카본 블랙을 제조하는 어떤 카본 블랙로 반응기에도 이용될 수 있다. 또한, 이하의 설명은 유출물의 온도를 저하시키기 위한 냉각액을 분사하는 냉각기를 사용하는 본 발명의 일 실시태양을 설명하는 것이지만, 당업자들에게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 유출물의 온도를, 바람직하기로는 정해진 양으로, 반응대역에서 가장 가까운 원료 분사점으로부터 정해진 잔류 시간내에 저하시키는 모든 방법을 포함한다. 마찬가지로, 이하의 설명은 열분해를 정지시키기 위해 사용되는 제2의 냉각기를 설명하고 있지만, 당업자들에게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 열분해를 정지시키는 모든 방법을 포함한다.

도면에 있어서, 예를 들면 반응 대역(12) 및 제한 직경 대역(20)를 갖는 카본 블랙 반응기(10)의 일부에 냉각액(50)을 분사하기 위한 제1냉각기(40) 및 제2냉각기(42)를 각각 지점(60) 및 (62)에 설치하였다. 냉각액(50)은 각 냉각기에 있어서 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 고온의 연소 가스 스트림이 반응기(10)와, 대역(12) 및 (20)을 통해 흐르는 방향은 화살표로 도시하였다. 냉각액(50)은 연소 가스 스트림의 방향에 대해 역방향으로, 또는 바람직하기로는 같은 방향으로 제1냉각기(40) 및 제2냉각기(42)로 분사할 수 있다. 점(14)는 가장 하류쪽의 원료 분사점이다. 당업자들에게 이해될 수 있는 바와 같이, 가장 하류쪽의 원료 분사점(14)는 변화될 수 있다. 가장 하류쪽의 원료 분사점(14)로부터 제1냉각기의 위치 지점(60)까지의 거리는 L-1으로 나타내고, 가장 하류쪽의 원료 분사점(14)로부터 제2냉각기의 위치 지점(62)까지의 거리는 L-2로 나타냈다.

도시한 본 발명의 실시 태양에 의하면, 제1냉각기(60)은 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터의 잔류 시간인 0.002초 이내에, 바람직하기로는 0.0-0.0015초 사이에 유출물(열분해가 일어나는 연소 가스와 원료의 혼합물)의 온도를 저하시키도록 위치한다. 전형적으로, 지정된 잔류 시간 내에 유출물을 냉각시키기 위해서 제1냉각기는 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 약 4피트 위치에 또는 그 이내에 위치하게 된다. 따라서, L-1은 약 0.0-4피트가 될 것이다. 냉각액은 유출물의 온도를 바람직하기로는 최대 약 426.7℃, 더욱 바람직하기로는 약 10℃-426.7℃의 양으로 저하시키기 위해서 제1냉각기를 통해 분무된다. 다만, 제1냉각기(60)을 통해 분사된 냉각액은 열분해를 정지시키지 않는다.

또한, 본 발명에 의하면, 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 유출물(열분해가 일어나는 연소 가스와 원료의 혼합물)의 온도는 최초로 저하될때까지 잔류 시간과 유출물의 온도가 저하되는 양을 독립적으로 또는 동시에 변화시킴으로써 반응기에서 제조되는 카본 블랙의 응집체의 크기 및 구조를 조절할 수 있다. 첨부 도면에 나타낸 본 발명의실시 태양에 있어서, L-1을 변화시키면 가장 하류쪽의 원료 분사 시간으로부터 유출물의 온도가 저하되는 시간까지의 잔류 시간이 변화될 것이다. 냉각액의 분사량을 변화시킴으로써 유출물의 온도 저하량을 변화시킬 수도 있다.

앞에서 설명된 바와 같이, 도면에 나타낸 본 발명의 실시 태양에 있어서, 소정의 응집체 크기 및 구조는 전형적으로 약 0.0-4피트의 L-1 범위에 의존한다. 냉각액(50)은 유출물의 온도를 바람직하기로는 최대 약 426.7℃까지, 더욱 바람직하기로는 약 10-426.7℃까지 저하시킨다. 다만, 열분해는 제1냉각기(60)에서의 냉각액(50)에 의해 정지되지 않는다.

소정의 특성을 갖는 카본 블랙이 생성된 후, 열분해는 냉각기(42)에 의해 지점(62)에서 정지된다. 지점(62)는 소정의 특성을 갖는 카본 블랙이 반응기에 의해 생성되는 점이다. 앞에서 설명된 바와 같이, 지점(62)는 열분해를 정지시키는 냉각기의 설치 위치를 선택하는 방법으로서 당업계에 공지된 방법에 의해 결정할 수 있다. 열분해를 정지시키는 냉각기의 설치 위치를 결정하는 한 가지 방법은 반응기로부터 얻어진 소정의 카본 블랙 제품에 대해 허용가능한 톨루엔 추출 농도가 얻어지는 지점을 측정함으로써 설치 지점을 결정하는 방법이다. 톨루엔 추출 농도는 ASTM Test D 1618-83 "카본 블랙 추출가능물-토루엔 변색화(Carbon Black Extractables-Toluene Discoloration)"을 이용하여 측정할 수 있다. L-2는 지점(62)의 위치에 따라 달라질 것이다.

본 발명의 효과 및 잇점을 이하의 비제한 실시예에서 더욱 상세하게 설명한다.

[실시예]

본 발명의 효과를 증명하기 위해서, 2개의 냉각기를 사용하고, 가장 하류쪽에서의 원료 분사 시간으로부터 유출물의 온도가 낮아질 때가지의 잔류 시간 및 유출물의 온도가 낮아진 양을 변화시키는 카본 블랙 제조 공정에서 본 발명에 관한 실험을 행하였다. 상기 잔류 시간은 L-1을 변화시킴으로써 변화시켰다. 실험중에 사용된 2세트의 카본 블랙에 대한 공정 변수 및 결과를 하기의 표에 요약하였다. 세트 Ⅰ은 실시번호 1, 2, 3으로 구성되고, 세트Ⅱ는 실시번호 4, 5 및 6으로 구성하였다.

세트 Ⅰ : 예열=482.2℃(900℉), 가스=7.2Kscfh, 공기= 80Kscfh, 공기/가스=11.11, 1차 연소율=123%, 연소 대역 용적=85ft³, 분사 대역 직경=4.2인치 분사 대역 길이=12인치, 분사 대역에서의 연소 가스 속도=2000ft/초, 오일=125gph, 오일 분사 압력=230psig, 오일팁(tip)의 수=4, 오일 팁 직경=0.042인치, 반응 대역 직경=13.5인치, 원료액(오일)의 조성은 다음과 같다. H/C비=0.91 ; 수소=6.89중량%, 7.00중량% ; 탄소=91.1중량%, 90.8중량%, 황=1.1중량%, API 비중 15.6/15.6℃(60℉)=-5.0, BMCI(점도-중량)=141

세트 Ⅱ : 예열=1100℉, 가스=7.5Kscfh, 공기= 80Kscfh, 공기/가스=10.6, 1차 연소율=118%, 연소 대역 용적=0.85ft³, 분사 대역 직경=4.2인치, 분사 대역 길이=12인치, 분사 대역에서의 연소 가스 속도=2300ft/호, 오일=136gph, 오일 분사 압력=270psig, 오일팁(tip)의 수=4, 오일 팁 직경=0.042인치, 반응 대역 직경=6인치, 원료액(오일)의 조성은 다음과 같다. H/C비율=1.06 ; 수소=7.99중량%, 7.99중량% ; 탄소=89.7중량%, 89.5중량%, 황=0.5중량%, API 비중 15.6/15.6℃(60℉)=5.0, BMCI(점도-중량)=123.

상기 세트 Ⅰ 및 세트 Ⅱ 모두에서 연소 반응 중에 사용된 액체 연료는 95.44%의 메탄 함량 및 925BTU/SCF의 습식 열량치를 갖는 천연 가스이다.

당업자들이 일반적으로 이해할 수 있는 바와 같이, 표에 기재된 공정 변수는 반응기중의 한 지점에서의 변수를 의미하는 것으로서, 공지된 방법으로 결정된다. 카본 블랙 샘플의 각 세트는 표에 기재된 사항을 제외하고는 미합중국 특허 제3,922,335호의 실시예 1에 기재된 반응기와 유사한 카본 블랙 반응기 중에서 제조하였다.

표중에서 Q는 냉각기를 의미하며, 1stQ ft.는 가장 하류쪽에서의 원료 분사점으로부터 제1냉각기까지의 거리 L-1을 의미한다. 제1냉각기 이전의 온도(Temp.Bef.1stQ)는 제 1냉각기 이전의 유출물의 온도를 의미하며, 제1냉각기 이후의 온도(Temp.Aft.1stQ) 및 제2냉각기 이후의 온도(Temp.Aft.2ndQ)는 각각 제1냉각기 이후의 유출물의 온도 및 제2냉각기 이후의 원료와 연소 가스의 혼합물의 온도를 의미한다. 냉각에 관련된 모든 온도는 종래의 공지된 열역학적 방법으로 계산하였다. 표중의 잔류 시간(Res.Time)은 가장 하류쪽에서의 원료 분사 이후에 흐른 시간의 양, 즉 유출물의 온도가 최초로 낮아지기 전까지 경과된 시간을 의미한다. 2ndQ ft.는 L-2를 의미하며, 톨루엔 추출 농도를 사용하여 경험적으로 결정하였다. 각 셋트별로 실시한 후, 생성된 카본 블랙을 회수하고, CTAB, 색조, Dst(평균스토우크스 직경), CDBP, 보플 DBP 및 톨루엔 변색을 분석 측정하였다. 각 실시에 대gks 결과는 표에 나타냈다.

CTAB는 ASTM Test Procedure D 3765-85에 따라서 측정하였다. 색조는 ASTM Test Procedure D 3265-85q에 따라서 측정하였다. 보플 블랙의 DBP는 ASTM D-2414-86에 기재된 방법에 따라서 측정하였다. CDBP는 ASTM D 3493-86에 기재된 방법에 따라서 측정하였다. 톨루엔 변색은 ASTM Test Procedure D 1618-83에 따라서 측정하였다.

Dst(평균 스트우크스 직경)은 하기 설명에 따라서 디스크 원심 분리 광침강분석기(disc centrifuge photosedimentometry)로 측정하였다. 다음 방법은 조이스-로에블사(Joyce-Loebl Company,영국 딘 앤드 웨어 게이트쉐드 팀 밸리 마퀴즈웨이 소재)로부더 구입한, 조이스-로에블형 디스크 원심분리기의 사용 설명서(Instruction Manual for thd Joyce-Loebl Disc Centrifuge,1985년 2월 1이 발행된 파일 참조 번호 DC F4.008)에 기재된 방법을 변형한 것이다. 이 문헌을 본 명세서에 참고 문헌으로 기재한다. 이 방법은 다음과 같다. 카본 블랙 샘플 10mg을 칭량 용기에서 칭량한 후, 무수 에탄올 10% 및 증류수 90%로 0.05% NONIDET P-40 계면활성제(이 NONIDET P-40은 쉘 케미칼사(Shell Chemical Co.)사가 제조·판매하는 계면 활성제의 등록 상표임)를 제조한 용액 50cc에 첨가하였다. 이 현탁액을 뉴욕주 파밍달(New York,Farmingdale) 소재 히트 시스템즈 울트라소닉스사(Heat Systems Ultrasonics Inc.)가 제조판매하는 Sonifier Model No. W385를 사용하여 15분동안 초음파 에너지로 분산시켰다. 디스크 원심분리기를 작동시키기 전에, 다음 데이타를 디스크 원심분리로부터의 데이타를 기록하는 컴퓨터에 입력시켰다.

1. 카본 블랙의 비중 ; 1.86g/cc

2. 물과 에탄올 용액 중에 분산된 카본 블랙 용액의 용적 ; 이 경우에는 0.5cc,

3. 회전액의 용적 ; 이 경우에는 물 10cc,

4. 회전액의 점도 ; 이 경우에는 23℃에서 0.933센티포이즈,

5. 회전액의 밀도 ; 이 경우에는 23℃에서 0.9975g/cc,

6. 디스크 속도 ; 이 경우에는 8000rpm,

7. 데이타의 샘플링 시간 간격 ; 이 경우에는 1초.

스트로보우스크프를 조작하는 동안 디스크 원심 불리기는 8000rpm으로 조작하였다. 회전액으로서 증류수 10cc를 회전하는 디스크에 분사하였다. 흐림도 수준은 0으로 고정하고, 완충액으로서 무수 에탄올 10%와 증류수 90%의 용액 1cc를 주입하였다. 디스크 원심 분리기의 차단 및 가속 버튼을 조작하여 회전액과 완충액 사이의 윤활한 농도 구배를 얻었다. 구배가 2개의 유액 사이에서 현저한 경계가 보이지 않을 정도로 윤활한 경우, 에탄올 용액중에 분산된 카본 블랙 0.5cc를 회전 디스크 중에 분사하고, 즉시 데이타를 수집하기 시작하였다. 스트림이 발생할 경우, 조작은 실패한 것이다. 상기 디스크 원심 분리기를 20분동안 회전시키면서 이어서 에탄올 수용액 중에 분산시킨 카본 블랙을 분사하였다. 20분 동안 회전시킨 다음, 디스크 원심 분리기를 정지시키고, 회전액의 온도를 측정하고, 조작 초기에 측정한 회전액의 평균 온도와 조작 말기에 측정한 회전액의 온도를 디스크 원심 분리기로부터의 데이타를 기록하는 컴퓨터에 입력하였다. 데이타를 표준 스토우크스 방정식에 따라 분석하고, 다음 정의를 사용하여 나타냈다.

카본 블랙 응집체-분산 가능한 최소 단위인 분리된 경질의 콜로이드성 실체. 이것은 광범위하게 유착된 입자들로 구성된다.

스토우크스 직경-스토우크스 방정식에 따라 원심 분리장 또는 중력장에서 점성 매질중에 침강되는 구형체의 직경. 비구형인 대상, 예를들면 카본 블랙 응집체는 이 대상과 동일한 밀도 및 침강 속도를 갖는 평활하고, 경질의 구형체와 마찬가지로 거동하는 것으로 간주할 수 있을 경우, 스토우크스 직경으로 나타낼 수 있다. 통상적인 단위는 nm 직경으로 표시된다.

평균 스토우크스 직경(보고 목적용 Dst)-전체 샘플의 50중량%가 보다 크거나 또는 작은 경우에 스토우크스 직경의 분포 곡선상의점. 따라서, 이것은 상기 측정값의 평균값이다.

표에 나타난 바와 같이, 본 발명은 하나의 냉각기를 사용하여 실시한 비교용 카본 블랙 제조공정 실시 번호 1 및 4에 의해 제조된 카본 블랙에 비하여 증가된 CDBP, 보플 DBP 및 Dst와 감소된 색조를 가지는 카본 블랙의 제조를 가능하게 해준다. 이러한 사실은, 본 발명의 카본 블랙은 증가된 응집체의 크기 및 구조를 특징으로 함을 보여주는 것이다. 더우기, 세트 Ⅱ에 대한 결과로써 나타낸 바와 같이, 본 발명은 상대적으로 일정한 CTAB에 대해 증가된 CDBP, 보플 DBP 및 Dst와, 감소된 색조를 가지는 카본 블랙의 제조를 가능하게 해준다. 이러한 사실은 본 발명이 주어진 CTAB에 대해 증가된 응집체 크기 및 구조를 가지는 카본 블랙을 제조함을 보여주는 것이다.

세트 Ⅰ에 대한 결과로서 나타난 바와 같이, 본 발명은 유출물의 온도가 최초로 같은 양으로 낮아진 상이한 잔류 시간에서 비교용 카본 블랙 제조 공정 실시 번호 1에 의해 얻은 카본 블랙에 비해서 증가된 CDBP, 보플 DBP 및 Dst와, 감소된 색조를 가지는 카본 블랙을 제조하였다.

본 발명은 카본 블랙의 응집체 크기 및 구조를 조절하는 방법에 관한 것이기 때문에, 명백히 본 발명의 요지를 변경시킴 없이 상기한 카본 블랙 제조 실시예에 따라서 여러가지 변형 및 수정을 가할 수 있다. 따라서, 명세서에 기재하고, 첨부 도면에 나타낸 본 발명은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 영역을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 발명은 다음의 청구 범위 내에 속하는 모든 변형을 포함한다.

Claims (20)

1. (a) 고온의 연소 가스 스트림을 반응기를 통해 통과시키고, (b) 1개 이상의 지점에서 고온의 연소 가스 스트림 중에 원료를 분사하여 유출물을 형성함으로써, 이 유출물 중에서 원료의 열분해가 개시되고, (c) 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 하류 방향으로 0.002초의 시간내에 제1지점에서, 유출물 중에서 일어나는 원료의 열분해를 정지시킴 없이 유출물의 온도를 저하시키는 것으로 되는 카본 블랙의 응집체 그기 및 구조의 조절 방법.
2. 제1항에 있어서, 유출물의 온도 저하량이 최대 약 426.7℃(800℉)인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 유출물의 온도 저하량이 10℃ 내지 426.7℃사이인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 유출물의 온도 저하가 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 0.0초 내지 0.0015초의 시간내에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제3항에 있어서, 유출물의 온도 저하가 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 0.0초 내지 0.0015초의 시간내에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 유출물의 온도 저하가 냉각액의 분사에 의해 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 유출물의 온도 저하가 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 0.0초 내지 0.0015초의 시간내에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제6항에 있어서, 냉각액에 의한 유출물의 온도 저하량이 최대 약 426.7℃인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제6항에 있어서, 냉각액에 의한 유출물의 온도 저하량이 10℃ 내지 426.7℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제7항에 있어서, 냉각액에 의한 유출물의 온도 저하량이 10℃ 내지 426.7℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
11. (a) 고온의 연소 가스 스트림을 반응기를 통해 통과시키고, (b) 1개 이상의 지점에서 고온의 연소 가스 스트림 중에 원료를 분사하여 유출물을 형성함으로써, 이 유출물 중에서 원료의 열분해가 개시되고, (c) 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 하류 방향으로 0.002초의 시간내에 제1지점에서, 유출물 중에서 일어나는 원료의 열분해를 정지시킴 없이 유출물의 온도를 저하시키고, (d) 제1지점의 하류인 제2지점에서 유출물의 온도를 추가로 저하시킴으로써 유출물중에서 일어나는 원료의열분해를 정지시키고, (e) 카본 블랙 생성물을 분리 및 수집하는 것으로 되는 카본 블랙의 응집체 크기 및 구조의 조절 방법.
12. 제11항에 있어서, 유출물의 온도 저하량이 최대 약 426.7℃(800℉)인 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제11항에 있어서, 유출물의 온도 저하량이 10℃ 내지 426.7℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제11항에 있어서, 유출물의 온도 저하가 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 0.0초 내지 0.0015초의 시간내에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제13항에 있어서, 유출물의 온도 저하가 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 0.0초 내지 0.0015초의 시간내에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제11항에 있어서, 유출물의 온도 저하가 냉각액의 분사에 의해 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제16항에 있어서, 유출물의 온도 저하가 가장 하류쪽의 원료 분사점으로부터 0.0초 내지 0.0015초의 시간내에 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제16항에 있어서, 냉각액에 의한 유출물의 온도 저하량이 최대 약 426.7℃인 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제16항에 있어서, 냉각액에 의한 유출물의 온도 저하량이 10℃ 내지 426.7℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제17항에 있어서, 냉각액에 의한 유출물의 온도 저하량이 10℃ 내지 426.7℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.

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